探討現代機械工程中自動控制系統的運用問題

丁美玲

摘 要：自動控制系統在現代化機械工程中發揮著重要作用，首先對二者的發展做了簡單介紹，并分析了當前自動控制系統的研究內容，以及近些年取得的顯著成果。然后以旋挖鉆機為例，從桅桿垂直、回轉定位、自停系統三方面對自控系統的實際應用進行了仔細分析。

關鍵詞：自動控制系統 旋挖鉆機 傳感器 回轉定位

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0055-03

在人類發展史中，勞動器具的應用推動了生產力的發展。隨著經濟水平的增長，勞動器具越來越先進，可代替人工做許多工作，在人類生產生活中的作用越來越突出。工業革命之后，機械由木結構迅速朝金屬結構過渡，制造工藝也實現了從憑借經驗到利用科學的轉變，為現代化機械工程奠定了基礎。在經濟技術的推動下，20世紀40年代經典控制論形成，并逐步發展壯大；計算機和自動化技術則使得機械工程有了進一步發展，并實現了自動化控制，為各個生產領域均做出了巨大貢獻。在當前時代，生產工藝日益復雜，為實現高效、高質生產，必須熟練應用自動控制系統，并不斷創新改進。

1 機械工程及其重大意義

人類在利用、改造大自然為自身服務時，最初多依靠雙手完成各項工作。顯然這是不夠的，因為人力極其有限，伴隨著需求的增加，人們的開拓領域越來越廣，僅依靠雙手在很多方面都受到限制。各種機械器具便在此背景下出現，并不斷更新改進，機械能夠完成人們用雙手無法完成的事，而且效率和質量更佳。經過千百年的演變，積累了大量經驗，機械工程規模擴大，研究愈發深入，應用更為廣泛，是各個行業都不可或缺的重要組成部分。直至進入現代社會，機械工程開始引進現代化高新技術，機械裝置在精度、質量各方面都進入到全新階段。如今，可上游宇宙天空、下潛大洋深層，遠窺百億光年、近察細胞分子。此外，機械工程在軍事、建筑、農業、生物、醫療、勘探等諸多領域都有著廣泛應用。

2 自動控制系統的發展

現代化機械工程的一個明顯特點，就是建立有自動控制系統，實現了自動化控制。所謂自動控制系統，即在無人直接參與的情況下，通過對多種高新技術的應用，能夠自動完成生產任務，或能夠按照設定程序自動操作的控制系統。系統包括控制器、執行機構、被控對象以及變送器4部分，按照控制原理，可分為開環和閉環兩種，在社會各方面都有使用。

自動控制系統的產生是生產水平和經濟技術發展到一定階段的必然產物，如計算機技術、電子技術等。尤其是21世紀以來，自動控制系統在機械工程中的應用受到高度重視。早些時期，自動控制系統多依靠機械裝置實現自動控制；當前則主要通過各種專用和通用的單片機，以及工業級控制計算機等控制器來實現；隨著科技的進步和研究的深入，自控系統正朝著智能化方向邁進，在將來應用納米光電子元件、光電子計算機等裝置，系統將更穩定，反應越來越快，精確性也更高。

在20世紀40年代經典控制論出現后，以模擬量自控系統為主，但系統輸入、輸出為單變量；隨后朝著多變量發展，實際生產控制中會產生大量的數據，需要快速運算，計算機技術的興起使此問題得到了很好的解決。到80年代，線性自動控制系統產生，與能夠尋求一個最優控制向量作用而使自動化機械系統狀態或輸出滿足某種最優準則的最優自控系統；至90年代，計算機、自動化和電子技術飛速發展，相關研究越來越多，自控系統也進一步改進，實現了自適應控制系統的建立，即根據外部環境的動態變化，該系統可自動調節，始終滿足某種最優準則。進入21世紀后，機械工程變得更加復雜，在實際制造加工中，遇到許多非線性的難題，因無法準確構建相應的數學模型，自動控制系統也就難以取得較好的效果。智能控制便應運而生，且倍受青睞，其發展空間十分廣闊，是今后的主流。

3 關于自動控制系統的研究內容

3.1 功能設計

自動控制系統在當前機械工程中的作用不言而喻，隨著人們對機械制造、加工、應用等方面要求的不斷提高，自動控制系統還需改進，實現更多功能。較為常見的一些功能有自助決策、人機交互、信息實時轉換和分析、科學規劃、遠程通信和遠程控制、對控制軟件的支持等，是目前自控系統功能的研究重點。但其實際研究過程較為艱難，因為自控系統是多種學科的知識和理論的綜合應用，包括機械、計算機、物理、軟件、電子信息、通訊、數學、人工智能、人機工程以及心理學等諸多學科。

3.2 控制功能計算機

計算機是實現自動控制功能的基礎設備，機械工程涉及面較廣，不同行業都有與其自身相適應的自控系統。被控對象的用途、功能、體積、參數等因素各有差異，在選擇控制功能計算機時，應具體而定。一般而言，當被控機械系統的規模較小時，監視控制量為開關量和少量數據信息的模擬量，實現控制要求較為簡單，多采用PLC或單片機；當被控機械系統的規模較大，或要處理海量數據信息時，多選擇工控機。系統總線是其基礎結構，以并行數字通信方式為主，負責控制模板與計算機CPU間的數據傳遞交換工作。當前應用較多且發展速度最快的系統總線有STD、VME、PC幾種；當被控機械系統為多層次、且較復雜時，分布式自動控制系統無疑是最好的選擇，它通過分析各級控制對象的特點，分別采用單片機、PLC總線工控機以及微型計算機等來完成不同的功能。在計算機的選擇中，除了以上因素，還需考慮具體的指令、字長等。另外，如果設計任務是已經給定的，選結合實際需要制定多種選擇方案，經對比后確定最佳方案。

3.3 控制軟件

軟件是支撐自控系統運行的關鍵，包括兩大部分：（1）應用軟件。即為滿足各種領域，主要是光機電系統的需求而提供的軟件。在可構建數學模型的情況下，通常會先建立微分方程，接著建立傳遞函數或狀態空間表達式。為提高系統質量，各項性能指標均能順利實現，可選擇MATLAB進行分析；（2）系統軟件。由操作系統、驅動、數據庫、診斷系統、網絡連接等構成，如Windows系列操作平臺等。主要負責計算機軟硬件的協調，對計算機進行調度維護。隨著技術的不斷進步，系統軟件在今后將更加完善，應用軟件也進一步實現標準化，設計出多功能和多參數的軟件。endprint

3.4 人性化操作界面

人機交流是自動控制系統必須具備的前提條件，且人占據著主導地位，負責系統的操作研發等工作。設計系統的硬件和各種管控程序時，在保證其安全性的同時，還應考慮操作的方便簡捷。通過合理設計，確保人的最終決策功能得到最大發揮，使系統能夠為人的正確決策提供多種作業輔助手段，同時強調人的特性和限度。科學設計相關接口，如信息接口、物理接口等，以方便系統同執行元件及其他動力源的連接。智能接口在信息處理方面更具優勢，是當前研究的重點，而且人性化操作界面也是當前自控系統的重點部分。

3.5 現場總線

即安裝在現場設備與自控裝置之間的一種串行、數字式、多點通信的數據總線。典型的有基金會現場總線FF、控制器局域網CAN、HART等。例如CAN總線廣泛應用于機械制造等領域，具有高抗電磁干擾、高錯誤檢出性，可提供較高數據傳輸速率，進而順利實現實時控制；目前研究進一步增大CAN總線傳輸距離，但尚有一些困難問題未能得到解決。

4 自動控制系統的相關研究成果

4.1 傳感器技術

傳感器在現代化機械工程中發揮著重要作用，與后續操作密切相關，進而影響到控制效果。為提高自動控制水平，需保證傳感器的性能符合要求：首先，自身質量比較穩定。如在外界沖擊力較大時，傳感器不會有大的損傷；具備防止環境污染的功能；能夠適應高溫高濕環境。其次，傳感器還應具備準確、快速地獲取各種有效信息的能力。從國內現狀來看，此類傳感器在實驗室內可以實現，但在實際大型機械設備上應用時，其效果難以得到充分發揮。由于性能的不穩定，將對工程機械一體化的發展形成阻礙。

4.2 可靠性技術

工程施工條件越來越惡劣，以至于機械設備在作業時常會發生劇烈振動，使得最終效果受到影響。包括動力源處的液壓裝置、外界的負荷和沖擊等都會對機械使用效果不利。所以，控制系統必須具備極強的耐震性。工程中很多基礎材料，如水分、砂石、污染物等，可能會因施工進入機械裝置中，這就要求系統具備良好的密封性。此外，系統還應具備抗干擾能力，不會受外部噪音、環境的影響。

4.3 微機控制技術

計算機技術在不斷發展進步，硬件控制功能日益完善，已經能夠完全滿足現代化機械工程要求；軟件控制也取得顯著成果，積極引進各種控制算法，如螞蟻集群算法等。

5 旋挖鉆機及其自動控制系統

5.1 工程實例

某住宅小區占地75000 m2，計劃建設10棟現代化住宅樓，采用框架剪刀墻表結構，高度均為32層，設有2層地下室，現代簡約風格，另有兩層裙房。地基土質也粉質粘土和黏土居多，為提高地基承載力，樁基工程采用旋挖鉆孔成樁技術進行施工。經實際調查發現，施工的難點在于：（1）孔壁易發生坍塌；（2）成孔過程中沉渣較多，加大了清孔難度；（3）粘土層易堵塞鉆斗，且很難甩出；粘土層較硬時，效率比較低。

5.2 旋挖鉆機及其自動控制系統

旋挖鉆機是建筑工程成孔環節中常見的機械設備，成孔深、效率高、質量好、噪音少，在路橋施工、水利建設等方面有著極為廣泛的應用。主要由滑輪架、桅桿、鉆桿、轉盤、回轉機構、調垂油缸、上車、鉆具和底盤等幾部分組成。如圖1所示。

隨著市場競爭的加劇，企業若想提高旋挖效率和適量，需建立起自動控制系統。主要包括以下幾部分：

（1）桅桿姿態檢測及桅桿控制。

通過顯示器按鍵選擇進入自動糾偏模式，并借助手柄對立桅及倒桅速度加以控制。通過控制器的自動調節，實現左右油缸的同步；進入自動立桅模式后，由控制器自動立桅，調平OK后延時5 s退出自動立桅模式；進入自動倒桅模式，同樣由控制器自動倒桅，桅桿Y軸角若在5 s時發生變化，停止自動倒桅；若桅桿前后角及左右角均小于3°，可進入自動調垂模式，調平OK后延時5 s，退出該模式。

（2）回轉定位。

通過顯示器設置自動回轉定位開，且鉆頭要高于地面30 cm，然后按下手柄上自動回轉定位按鈕，控制器自動控制車體與原來相反方向回轉到定位位置。

（3）主卷浮動控制。

按下主卷浮動按鈕，主卷制動閥與浮動閥打開，主卷靠鉆桿和鉆頭的自重自動跟進。

（4）深度測量。

在額頭滑輪測深方式：利用編碼器計數，然后經精密計算，最終將深度值顯示在顯示器上。雖然器件的安裝工作較為簡單，精確卻不高。在卷揚測深方式：與上同，雖然每次換鋼絲繩時均需重新標定參數，較為繁瑣，但其精度比較高。深度的顯示方式：將旋挖的孔深度、平均深度以及鉆頭所處位置的結果顯示在顯示器上。

6 自動控制系統在旋挖鉆機中的實際應用

鑒于以往經驗，為提高成孔質量，該工程提前對旋挖型鉆機的自動化控制系統進行詳細設計。在此主要從以下三方面進行詳細分析。

6.1 桅桿垂直自動控制系統

在鉆進過程中，旋挖鉆機的桅桿必須呈垂直狀，否則極易影響鉆孔效果。此工程現場有多處不平整，桅桿必將出現傾斜的情況，所以應對此加以調節。在此自動控制系統中，有兩個調平缸，由負荷傳感泵驅動，當鉆桅發生傾斜時，予以糾正，使其恢復垂直狀。調平缸由電液比例閥獨立控制。該系統包括微處理器控制器、調節機構、信號處理器、電控手柄、油缸、傳感器等組成。采用的是雙軸傾角傳感器，安裝在桅桿上，負責傾斜角度的測量工作，然后借助PLC內部的A/D模塊進行轉化后，與給出的信號進行比較，從而產生角度偏差。控制器利用相關算法對此結果加以調平處理，而后將PWM控制信號輸出，經由D/A轉換器，將信號向油缸傳遞。再利用電液比例閥，構成閉環電液比例控制系統，對桅桿傾斜加以控制。

PLC控制器是自動調垂控制系統的核心和關鍵部分，在此選擇的是Hesmor系列，具有諸多優勢，如在嚴重振動、溫度變化頻繁以及強電磁干擾的情況下依舊可以正常工作。除了發動機，均使用的是該系列中的HC-G16控制器，主頻為40 MHz，512KbytesRAM，XC167CPU，共有2個CAN接口和13個AI/DI口。endprint

6.2 自動回轉定位系統

旋挖機在施工中經常會有車回轉的操作，包括啟動、回轉和轉動3個環節，此過程中回轉的負荷有較大的變化。其定位是否精確與鉆孔成樁效果密切相關，為此必須建立自動回轉定位系統。回轉系統由轉臺主體、回轉支承、鉆桅支承和回轉減速機等部分構成，對其有幾點要求：盡量將能量損失降至最低；回轉力矩應控制在規定值內，角加速度符合要求；定位必須精確，不得有過大的誤差。其中，精確定位尤為關鍵。

自動回轉定位系統是在電液比例控制技術、信號反饋控制技術以及CAN-BUS總線通訊技術的基礎上建立起來的。包括控制器、顯示器、回轉開關、編碼器等裝置，顯示器上設置有“孔位確定”按鈕，鉆頭回轉任意角度排渣后，按下“自動回轉”按鈕，編碼器可對回轉方向和位置進行檢測，將結果輸送至控制器。經過相關計算后，控制器將PWM信號輸出，對回轉電液比例閥加以控制，從而使鉆具能夠自動對準孔位，同時其轉動角度呈現在顯示器上。系統原理如圖2所示。

6.3 主卷過載保護與鉆具觸地自停系統

在實際作業中，取土返回時，若鉆頭觸地后未能及時停機，則卷揚機將繼續工作，導致鋼絲繩一直下放，出現亂繩情況，影響到鋼絲繩的使用壽命；若鋼絲繩承受過大的壓力，必須及時停止卷揚工作，否則極易出現安全事故。

在自停系統中，傳感器負責卷揚荷載信息的搜集，控制器對其安全程度加以判斷。一旦出現異常，傳感器的信號會有所變動，控制器則發出停止的指令。系統的軟硬件結構中，手柄與主控閥間設置有電磁閥，銷軸傳感器的信號輸入端和輸出端分別與滑輪和車載控制器信號輸入端相連接，車載控制器信號輸出端通過繼電器分別與先導電磁閥及自停選擇開關相連。過載與觸地自停系統硬件包括顯示器、控制器、傳感器、電磁閥等。電路原理如圖3所示。

7 結語

機械工程為人類社會發展做出了巨大貢獻，隨著制造、加工等行業工作量的增大，以及質量要求的提高，必須采用自動控制系統。通過自動控制系統，可有效提高工作效率，是實現機電一體化的關鍵技術。在今后的發展中，自動控制技術還需不斷改進，朝著智能化的方向發展。

參考文獻

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[10] 胡長勝，李冰.無鉆桿旋挖鉆機工作裝置監控系統研制[D].哈爾濱工業大學，2011.endprint

6.2 自動回轉定位系統

旋挖機在施工中經常會有車回轉的操作，包括啟動、回轉和轉動3個環節，此過程中回轉的負荷有較大的變化。其定位是否精確與鉆孔成樁效果密切相關，為此必須建立自動回轉定位系統。回轉系統由轉臺主體、回轉支承、鉆桅支承和回轉減速機等部分構成，對其有幾點要求：盡量將能量損失降至最低；回轉力矩應控制在規定值內，角加速度符合要求；定位必須精確，不得有過大的誤差。其中，精確定位尤為關鍵。

自動回轉定位系統是在電液比例控制技術、信號反饋控制技術以及CAN-BUS總線通訊技術的基礎上建立起來的。包括控制器、顯示器、回轉開關、編碼器等裝置，顯示器上設置有“孔位確定”按鈕，鉆頭回轉任意角度排渣后，按下“自動回轉”按鈕，編碼器可對回轉方向和位置進行檢測，將結果輸送至控制器。經過相關計算后，控制器將PWM信號輸出，對回轉電液比例閥加以控制，從而使鉆具能夠自動對準孔位，同時其轉動角度呈現在顯示器上。系統原理如圖2所示。

6.3 主卷過載保護與鉆具觸地自停系統

在實際作業中，取土返回時，若鉆頭觸地后未能及時停機，則卷揚機將繼續工作，導致鋼絲繩一直下放，出現亂繩情況，影響到鋼絲繩的使用壽命；若鋼絲繩承受過大的壓力，必須及時停止卷揚工作，否則極易出現安全事故。

在自停系統中，傳感器負責卷揚荷載信息的搜集，控制器對其安全程度加以判斷。一旦出現異常，傳感器的信號會有所變動，控制器則發出停止的指令。系統的軟硬件結構中，手柄與主控閥間設置有電磁閥，銷軸傳感器的信號輸入端和輸出端分別與滑輪和車載控制器信號輸入端相連接，車載控制器信號輸出端通過繼電器分別與先導電磁閥及自停選擇開關相連。過載與觸地自停系統硬件包括顯示器、控制器、傳感器、電磁閥等。電路原理如圖3所示。

7 結語

機械工程為人類社會發展做出了巨大貢獻，隨著制造、加工等行業工作量的增大，以及質量要求的提高，必須采用自動控制系統。通過自動控制系統，可有效提高工作效率，是實現機電一體化的關鍵技術。在今后的發展中，自動控制技術還需不斷改進，朝著智能化的方向發展。

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6.2 自動回轉定位系統

旋挖機在施工中經常會有車回轉的操作，包括啟動、回轉和轉動3個環節，此過程中回轉的負荷有較大的變化。其定位是否精確與鉆孔成樁效果密切相關，為此必須建立自動回轉定位系統。回轉系統由轉臺主體、回轉支承、鉆桅支承和回轉減速機等部分構成，對其有幾點要求：盡量將能量損失降至最低；回轉力矩應控制在規定值內，角加速度符合要求；定位必須精確，不得有過大的誤差。其中，精確定位尤為關鍵。

自動回轉定位系統是在電液比例控制技術、信號反饋控制技術以及CAN-BUS總線通訊技術的基礎上建立起來的。包括控制器、顯示器、回轉開關、編碼器等裝置，顯示器上設置有“孔位確定”按鈕，鉆頭回轉任意角度排渣后，按下“自動回轉”按鈕，編碼器可對回轉方向和位置進行檢測，將結果輸送至控制器。經過相關計算后，控制器將PWM信號輸出，對回轉電液比例閥加以控制，從而使鉆具能夠自動對準孔位，同時其轉動角度呈現在顯示器上。系統原理如圖2所示。

6.3 主卷過載保護與鉆具觸地自停系統

在實際作業中，取土返回時，若鉆頭觸地后未能及時停機，則卷揚機將繼續工作，導致鋼絲繩一直下放，出現亂繩情況，影響到鋼絲繩的使用壽命；若鋼絲繩承受過大的壓力，必須及時停止卷揚工作，否則極易出現安全事故。

在自停系統中，傳感器負責卷揚荷載信息的搜集，控制器對其安全程度加以判斷。一旦出現異常，傳感器的信號會有所變動，控制器則發出停止的指令。系統的軟硬件結構中，手柄與主控閥間設置有電磁閥，銷軸傳感器的信號輸入端和輸出端分別與滑輪和車載控制器信號輸入端相連接，車載控制器信號輸出端通過繼電器分別與先導電磁閥及自停選擇開關相連。過載與觸地自停系統硬件包括顯示器、控制器、傳感器、電磁閥等。電路原理如圖3所示。

7 結語

機械工程為人類社會發展做出了巨大貢獻，隨著制造、加工等行業工作量的增大，以及質量要求的提高，必須采用自動控制系統。通過自動控制系統，可有效提高工作效率，是實現機電一體化的關鍵技術。在今后的發展中，自動控制技術還需不斷改進，朝著智能化的方向發展。

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